3.发酵用压缩空气的预处理及除菌设备
空气除菌及调节设备
➢生物工业生产需要洁净的环境、适宜的空气温 度和空气压强。
洁净空间：指空气中微粒受控制的空间。
洁净度级数(英制)：每1ft3空气中，粒径大于等 于0.5μm的最大允许粒子数。
洁净度级数(国际制)：每1m3空气中，粒径大于 等于0.5μm的最大允许粒子数的常数对数值。
1立方英尺=1（ft3）=0.0283立方米（m3）=28.317升（liter）
• 对于沉浸式和喷淋式换热器，在设 计时应保证一定的空气流速，一般选 择空气流速为 5～10m／s。
空气除菌及调节设备
（七）气液分离器
• 气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾 和油雾粒子除去的设备。
• 常用的有旋风式和填料式。 • 旋风式称做旋风分离器，是利用气流从切线
方向进入容器时在容器内形成旋转运动时产生 的离心力场来分离重度较大的微粒。 • 填料式分离器又称除雾器，是利用填料的惯 性拦截作用，将空气中的水雾和油雾分离出来。
• 布袋过滤结构最简单，只要将滤布缝制成与
骨架相同形状的布袋，紧套于焊在进气管的骨架 上，并缝紧所有会造成短路的空隙。 • 它的过滤效率和阻力损失要视所选用的滤布特 性和过滤面积而定。 • 布质结实细致，则过滤效率高，但阻力大。 • 最好采用毛质绒布效果较好，现多采用合成纤 维滤布。
空气除菌及调节设备
空气除菌及调节设备
4.冷热空气直接混合式空气除菌流程
空气除菌及调节设备
•利用热空气加热冷空气的除菌流程
利用热空气加热冷空气的除菌流程
1-高空采风 2-粗过滤器 3-空压机 4-热交换器 5-冷却器 6、7-旋风分离器 8-空气总过滤器 9-空气分过滤器
空气除菌及调节设备
冷热空气直接混合式空气除菌 流程
空气除菌的工艺及设备
用离心式通风并经适当的空调处理(温、湿)就可以了； • 酵母培养消耗空气量大，无菌度也不十分严格，但需要一定压
力以克服发酵罐的液柱阻力，所以一船采用罗茨鼓风机或高压 离心式鼓风机通风；
• 介质过滤是目前发酵工业上常使用的空气除菌方法。它采用定期灭菌 的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而制得无菌空气。 常用的过滤介质有棉花；活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和 无机烧结材料等。由于被过滤的气溶胶中微生物的粒子很小，一般只 有0.5~2μm，而过滤介质的材料一般孔径都大于微粒直径几倍到几十 倍，因此过滤机理比较复杂；
• 4.1.4空气含菌量的测定 • 空气是许多气态物质的混合物，主要成分
是氮气和氧气，还有惰性气体及二氧化碳和水 蒸汽。除气体外，尚有悬浮在空气中的灰尘， 而灰尘主要由构成地壳的无机物质微粒、烟灰 和植物花粉等组成。一般城市灰尘多于农村， 夏天多于冬天，特别是气候温和湿润地区，空 气中的菌量较多。据统计，大城市每立方米空 气中的含菌数约为3000~10000个。要准确测定 空气中的含菌量来决定过滤系统或查定过滤空 气的无菌程度是比较因难的。
超声波等从理论上讲都能破坏蛋白质，破 坏生物活性物质，从而起到杀菌作用。但 应用较广泛的还是紫外线，它在波长为 226.5~328.7nm时杀菌效力最强，通常用于 无菌室和医院手术室。但杀菌效率较低， 杀菌时间较长。一般要结合甲醛蒸汽等来 保证无菌室的无菌程度。
• 4.2.2加热灭菌 • 虽然空气中的细菌芽孢是耐热的，但温度
• 4.2.3静电除菌
• 静电防尘是利用静电引力来吸附带电粒子 而达到除尘、除菌的目的。悬浮于空气中 的微生物，其孢子大多带有不同的电荷， 没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会 被电离变成带电微粒。但对于一些直径很 小的微粒，它所带的电荷很小，则微粒就 不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小 的微粒效率较低。
第2章发酵用压缩空气的预处理及除菌设备讲义
第二节 压缩空气预处理原理及工艺流程设计
预处理除去：水、油。 空气压缩时，压强与温度的关系：
K 1
T2 T1
p2 p1
K
,
一般发酵工厂净化系统设计时取K 1.3
• [例2-1]空压机吸入空气温度20℃，当压缩到0.2MPa（表 压）时，问此时压缩空气温度?
解：
T1 273 20 293K , p1 0.101MPa, p2 0.201MPa, K取1.3
气压之比。
pw 100% pt
x 100%
ps
ps 0.622 x
pw 100% pt
x 100%
ps
ps 0.622 x
2
1
ps1 ps 2
p2 p1
空气经过压缩其湿含量不变，温度大大提高，相对 湿度变小；当其冷却时，相对湿度会慢慢变大，直
到冷却到露点， =100%，＞100%既有水析出。
• 2012年联合国环境规划署公布的《全球环境展望5》指出， 每年有70万人死于因臭氧导致的呼吸系统疾病，有近200万 的过早死亡病例与颗粒物污染有关。《美国国家科学院院刊》 （PNAS）也发表了研究报告，报告中称，人类的平均寿命因 为空气污染很可能已经缩短了5年半。
• 世界银行发布的报告表明，由室外空气污染导致的过早死亡人 数，平均为每天1000人，每年有35至40万的人面临着死亡。 具体来讲，早在1997年，世界银行就预计有5万中国人因为 空气污染而过早死亡。总体来说，这份报告发现，中国的空气 污染使得城市居民的寿命减少了18年。
空气洁净级数
空气洁净 粒径≥0.5μm的最 级数(英制) 大微粒数（个/ft3）
粒径≥0.5μm的 最大微粒数（个 /m3100
制药设备流程图
一、药品生产流程图：二、制药设备的分类•国家、行业标准按制药设备产品基本属性分8大类：⑴原料药机械及设备。
实现生物、化学物质转化，利用动物、植物、矿物制取医药原料的工艺设备及机械。
⑵制剂机械。
将药物制成各种剂型的机械与设备。
⑶药用粉碎机械。
用于药物粉碎〔含研磨〕并符合药品生产要求的机械。
⑷饮片机械。
对天然药用动物、植物、矿物进行选、洗、润、切、烘、炒、锻等方法制取中药饮片的机械。
⑸制药用水设备。
采用各种方法制取制药用水的设备。
⑹药品包装机械。
完成药品包装过程以及与包装过程相关的机械与设备。
⑺药用检测设备。
检测各种药物制品或半制品质量的仪器与设备。
⑻其他制药机械及设备。
执行非主要制药工序的有关机械与设备。
•其中制剂机械按剂型分14类：⑴剂机械。
将原料药与辅料经混合、造粒、压片、包衣等工序制成各种形状片剂的机械与设备。
⑵针剂机械。
将药液制作成安瓿针剂的机械与设备。
⑶生素粉、水针剂机械。
将粉末药物或药液制作成玻璃瓶抗生素粉、水针剂的机械与设备。
⑷液剂机械。
将药液制作成大剂量注射剂的机械与设备。
⑸胶囊剂机械。
将药物充填于空心胶囊内制作成硬胶囊剂的机械与设备。
⑹胶囊〔丸〕剂机械。
将药液先裹于明胶膜内的制剂机械与设备。
⑺剂机械。
将药物细粉或浸膏与赋形剂混合，制成丸剂的机械与设备。
⑻膏剂机械。
将药物与基质混匀，配制成软膏，定量灌装于软管内的制剂机械与设备。
⑼剂机械。
将药物与基质混合，制成栓剂的机械与设备。
⑽服液剂机械。
将药液制成口服液剂的机械与设备。
⑾膜剂机械。
将药物浸透或分散于多聚物薄膜内的制剂机械与设备。
⑿雾剂机械。
将药液和抛射剂灌注于耐压容器中，制作成药物以雾状喷出的制剂机械与设备。
⒀眼剂机械。
将药液制作成滴眼药剂的机械与设备。
⒁水、糖浆剂机械。
将药液制作成酊水、糖浆剂的机械与设备。
三、原料药生产设备生物制药反应过程设备一培养基配制及灭菌设备1、培养基实罐灭菌方法及设备2、培养基连续灭菌方法及设备连续灭菌的基本设备一般包括：①配料预热罐，将配制好的料液预热到60-75℃，以防止连续灭菌时由于料液与蒸汽温差过大而产生水汽撞击声；②连消塔，连消塔的作用主要是使高温蒸汽与料液迅速接触混和，并使料液的温度很快升高到灭菌温度〔126-132〕℃；③维持罐，连消塔加热的时间很短，光靠这段时间的灭菌是不够的，维持罐的作用是使料液在灭菌温度下保持5-7min，以到达灭菌的目的；④冷却管，从维持罐出来的料液要经过冷却排管进行冷却，生产上一般采用冷水喷淋冷却，冷却到40-50℃后，输送到预先已经灭菌过的发酵罐内。
发酵罐无菌空气的质量要求
1、压缩空气的压强：一般要求空气压缩机出口的空气压强控制在0.2—0.35mpa（表压）。
2、先对湿度的：过滤器过滤介质受潮过滤效果会大大下降，因此将进入总过滤器的压缩空气控制在60%—70%。
3、压缩空气预处理的目的：压缩空气夹带的水滴、油滴（压缩机活塞环润滑油汽化带入）受潮引起介质的团结变形而失效，所以在进入空气过滤器之前一定要进过除水除油的预处理。
采用涡轮压缩机就可以达到无油，但设备投资成本较大。
4、空气被压缩机压缩温度会上升，压强大了温度会进一步上升（温度与压强成正比），20°C大气经空气压缩机压缩，空压机出口压强为表压0.2mpa的压缩空气的温度是104°C,所以必须进行冷却。
5、过滤介质采用涂层式过滤器材材料组装的滤芯，常用的滤芯是DMF（聚四氟乙烯聚合膜）或者DGF（玻璃纤维复合毡）滤芯在使用过程中会逐渐堵塞，阻力逐渐变大，当进出口空气增大到0.05mpa时可以考虑更换滤芯。
DMF（聚四氟乙烯聚合膜）耐高温可以受125±2℃连续30分钟10次。
6、一次无菌灭菌后无异常不必反复灭菌，多次灭菌会导致滤芯除菌效果降低。
7、洁净度：发酵工业中所指的“无菌空气”是指通过除菌处理后压缩空气中含菌量降低到零或达到洁净度100级的洁净空气，它已经满足发酵工业的要求。
8、100级洁净空气是指经过处理后的空气中≥0.5μm的微粒数小于或等于100个/ft³（1 ft³＝0.0283168m³）、生物微粒0.1个/ft³、沉降量1200个/cft².周（1 cft²=0.092903㎡）。
发酵工厂空气处理工艺和设备的优化组合_方书起
发酵工厂空气处理工艺和设备的优化组合方书起(郑州工业大学)张 磊(郑州污水净化有限公司)摘 要 介绍了一种发酵工厂用的节能型空气处理工艺和设备的优化组合。
与传统工艺相比,其运行可靠,空气质量高,设备投资减少20%以上,节电15%左右。
关键词 空气处理工艺 设备优化组合 发酵 对好氧性发酵来说,发酵过程中必须通入大量的无菌空气来满足生产需要,发酵染菌机率与空气的质量关系很大,据文献资料统计,由于空气带菌而导致发酵失败的,就高达20%左右[1]。
因此,空气质量的好坏,是决定发酵成败的关键问题之一,有比较可靠的空气处理系统保证发酵生产的正常运转是十分重要的。
空气处理包括空气的除湿、除油和除菌等过程,根据发酵工艺的要求,既要避免染菌,又要尽量简化空气处理流程,以减少设备投资和正常运转的动力消耗。
1 空气除湿、除油、除菌的必要性空气中含有一定量的以汽态存在的水分,空气经空压机压缩后具有较高的温度(≥120℃),直接使用会对过滤器产生破坏作用,需冷却后才能使用,而冷却后又具有较高的相对湿度,并很可能析出水滴;空气中的油是由于使用非无油润滑的空压机带入的(即使使用无油润滑空压机也会带入少量的油雾)。
空气中的水滴和油会使过滤介质受潮,引起结团而失效,起不到除菌目的。
因此,把压缩后的空气进行适当的预处理,即必要的降温、除湿和除油处理,是保证除菌的先期工序。
发酵实际上是一个无杂菌的纯种培养过程,未经处理的空气中含有大量的非生产用细菌。
据统计,城市中每立方米空气中含细菌数就多达103～104个[2]。
再者,一般细菌繁殖一代只需20～30min ,如果一个细菌繁殖15h (只占发酵时间的几分之一),可繁殖10亿个。
因此,进入发酵系统的空气必须先进行除菌处理,使空气中的含菌量降低到一个极限百分数(一般10-3),使染菌机率降低至极小。
2 目前生产中典型的空气处理工艺流程和设备空气处理流程从理论上而言,有多种形式:如两级冷却加热除菌流程、冷热空气直接混合式除菌流程和高效前置过滤除菌流程等[3]。
发酵工厂中空气净化工艺的合理选择
发酵工厂中空气净化工艺的合理选择无菌空气是通气发酵过程中的关键流体。
它用于细菌的培养、发酵液的搅拌、液体的输送以及通气发酵罐的排气。
在通气发酵过程中,空气系统的染菌一直被列为发酵生产的第一污染源。
据报道,由于空气系统纰漏而导致发酵染菌,在总染菌数中比率高达19.96%,而我国的生产现状还远远高出这一数据。
为了防止压缩空气染菌给发酵液造成污染,进入发酵罐的空气必须达到(0.5μm)100级净化标准,即每立方英尺空气中含有≥0.5μm的微粒数应≤100个。
目前,空气净化的主要方法是通过介质过滤达到除菌目的。
为了保证过滤后的空气达到净化标准,过滤前的空气要进行降温、除水、除油、减湿的预处理。
据文献记载,只有当压缩空气的相对湿度φ≤60%,高效过滤器内的过滤介质保持干燥时,空气通过高效过滤方能达到过滤的期望值。
因此,发酵空气净化实际上包括两部分:一是空气的预处理;二是选择性能优良的过滤介质和过滤设备。
怎样使科学合理、经济实用的工艺与完善的工程设计有机地结合,使空气系统在优化条件下运行,是发酵行业工程设计者不懈努力的目标。
1 发酵工厂常用的空气预处理路线1.1 标准路线(流程1)该流程系80年代初由华东化工学院等单位提出。
其工艺成熟,操作方便,适应各种气候条件,不受大气的绝对湿含量和相对湿度的影响。
随着科学技术的进步,传统理论和处理方法不断完善,特别是近年来空压机的技术有了突飞猛进的发展。
由于空压机选型不同,空气预处理的流程也不同。
传统的活塞式机型容量小,规模生产时需要多台组合,且要用空气贮罐来消除排气产生的脉冲。
目前发酵工厂多选用出气稳定、容量大的涡轮式或螺杆式机型,不必设置空气贮罐。
改进后的流程增加丝网除沫器,加强了除雾滴能力。
1.2 混合型路线(流程2)此流程适用于中等湿含量的地区,其特点是将部分来自空压机的热空气不经冷却,而直接与大部分经降温除水的冷空气混合进入过滤器,可省去加热器;气体进过滤器的控制指标与流程1相同;流程比较简单,冷却水用量相对节省。
生物工程设备 第二章 发酵用压缩空气预处理及除菌设备
第二章发酵用压缩空气预处理及除菌设备培养基准备与灭菌回顾•微生物、动植物细胞培养基的准备、要求及灭菌•实消和连消•培养基灭菌方法•培养基准备相关设备本章主要内容•生物发酵用净化空气的质量标准；生物发酵用净化空气的质量标准•压缩空气的预处理原理、工艺流程设计、设备设计及控制要求；•无菌空气制备工艺流程设计及控制要求•绝大多数工业发酵都是利用好气性微生物进行深层悬浮纯种培养在培养过程中需进行深层悬浮纯种培养，在培养过程中需要连续通入大量无菌空气，以供生产菌的生长和代谢产物•例一个通气量为40m3/min的发酵罐，发酵周期为125h，所需要通入的空气量高达3×105m3抗生素厂发酵染菌分析20%都是由空气系统带菌引起的，因此合理可靠的空气预处理和除菌设备，确保无菌，节约能源是空气净化系统设计的关键11.生物发酵用无菌空气的质量标准•压强：（0.2‐0.35MPa）压强（02035MP•流量：生产能力•温度：发酵温度高10℃温度发酵温度高•相对湿度：60%‐70%•洁净度：无菌空气•“无菌空气”是指通过除菌处理后压缩空气中含度的洁净空气已菌量降低到零或洁净度100度的洁净空气，已能满足发酵工业的要求22.压缩空气预处理降特定的度•降温：特定的温度•防止过滤介质受潮失效降低效率除水•除油防止过滤介质受潮失效，降低效率保证通气发酵用无菌空气的质量指标维•保证通气发酵用无菌空气的质量指标，维持发酵正常生产212.1 压缩空气冷却•T1，T2为压缩前后绝对温度•P，P为压缩前后绝对压强12•绝热过程K 1.4，多变过程K 1.3，一般发酵1.3•排气温度是降低压缩比升高的主要原因•冷却方法：空冷、水冷冷却方法空冷水冷直接换热器冷却多程列管式换热器，空气•‐壳程•输送过程冷却+换热器冷却热能综合利用的概念•热能综合利用的概念？222.2 压缩空气的除水•若空气的湿含量及温度保持不变，空气压强越大，相对湿度越大一般情况空气经过压缩湿含量不变•一般情况，空气经过压缩，湿含量不变，温度大大提高，相对湿度变小，冷却时，相对湿度变大压缩空气除水原理•压缩空气除水原理：例题小结•压缩后，高温下空气中水不会析出缩后高空气中水不会析出•压缩空气由高温冷却相对湿度增加•相对湿度为100%时相对应空气温度为露点温度•压缩空气的露点温度比吸气状态空气的露点温度高，压缩空气的露点温度比吸气状态空气的露点温度高压缩比越大，露点温度越高，越易析出水•温度升高相对湿度降低析水后缩气加热降低相对度防•析水后压缩空气加热，可以降低相对湿度，防止过滤介质受潮。
发酵用压缩空气的预处理及除菌设备
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3．空气含菌量的测定
• 空气含菌量的测定一般采用培养法或 光学法测定其近似值。
• 以光学法为基础的仪器有粒子计数器， 它是利用微粒对光线散射作用来测量粒 子的大小和含量。
• 粒子的大小与讯号峰值有关。数量与 讯号脉冲频率有关。
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二、空气净化除菌方法及原理
（一）空气除菌方法
• 常用的除菌方法有介质过滤、辐射、 化学药品、加热、静电吸附等。
• 辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌 等都是将有机体蛋白质变性而破坏其活 力，从而杀灭空气中的微生物。
• 介质过滤和静电吸附方法则是利用分 离方法将微生物粒子除去。
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1．热杀菌
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4.过滤除菌法
• 过滤除菌是目前生物技术工业生产中使用 的最常用的空气除菌方法，它采用定期灭菌 的干燥介质来阻截流过的空气所含的微生物， 从而获得无菌空气 常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻 璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、 烧结金属过滤介质等。
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第二节 压缩空气预处理原理
• 静电除菌装置按其对菌体微粒的作 用可分成电离区和捕集区。
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静电除菌除尘装置示意图
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静电除菌
• 用静电除菌进行空气净化，要求极板很 平直，安装间距均匀。
• 使用该方法一次性投资费用较大。 • 对于一些直径很小的微粒，它所带的电
荷很小，微粒不能被吸附而沉降，所以静 电除尘对很小的微粒效率较低。
数量级。
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• 空气中微生物数目的数量级可以认 为是103～104个/m3。
• 通过对空气中微生物分布情况的研究，
空气除菌的工艺及设备.
空气除菌的工艺及设备在发酵工业中，绝大多数是利用好气性微生物进行纯种培养，空气则是微生物生长和代谢必不可少的条件。
但空气中含有各种各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会迅速大量繁殖，消耗大量的营养物质并产生各种代谢产物；干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产率下降，甚至彻底失败。
因此，无菌空气的制备就成为发酵工程中的一个重要环节。
空气净化的方法很多，但各种方法的除菌效果、设备条件和经济指标各不相同。
实际生产中所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定，、既要避免染茵，又要尽量简化除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。
本章将讨论合理选择除菌方法，决定除菌流程以及选用和设计满足生产需要的除菌设备等。
第一节空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求一、无菌空气的概念发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至极小机会。
此种空气称为“无菌空气”。
二、空气中微生物的分布通常微生物在固体或液体培养基中繁殖后，很多细小而轻的菌体、芽孢或孢子会随水分的蒸发、物料的转移被气流带入空气中或粘附于灰尘上随风飘浮，所以空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。
一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；地面又比高空的空气含菌量多。
因此，研究空气中的含菌情况，选择良好的采风位置和提高空气系统的除菌效率是保证正常生产的重要内容。
各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数量也随条件的变化而异，一般设计时以含量为103~104个／m3进行计算。
三、发酵对空气无菌程度的要求各种不同的发酵过程，由于所用菌种的生长能力、生长速度、产物性质、发酵周期、基质成分及pH值的差异，对空气无菌程度的要求也不同。
如酵母培养过程，其培养基以糖源为主，能利用无机氮，要求的pH值较低，一般细菌较难繁殖，而酵母的繁殖速度又较快，能抵抗少量的杂菌影响，因此对无菌空气的要求不如氨基酸、抗生素发酵那样严格。
压缩空气灭菌设备(完整的)
金华职业技术学院制药与材料工程学院压缩空气灭菌设备班级：精细091姓名：朱学海组号：12组员：魏莎俞燕芬指导教师：蒋伟华2011 年06 月目录1. 空气中微生物的分布和发酵工业对空气无菌程度的要求-------------------------3 1.1 无菌空气的概念-----------------------------------------------------------3 1.2 空气中微生物的分布-------------------------------------------------------3 1.3 发酵对空气无菌程度的要求-------------------------------------------------3 1.4 空气含菌量的测定---------------------------------------------------------4 2．空气除菌的方法-----------------------------------------------------------42.1 辐射灭菌-----------------------------------------------------------------4 2.2 加热灭菌-----------------------------------------------------------------4 2.3 静电除菌-----------------------------------------------------------------52.4 介质过滤-----------------------------------------------------------------63. 介质过滤除菌分类---------------------------------------------------------6 3.1.1 表层过滤---------------------------------------------------------------6 3.1.2 深层过滤---------------------------------------------------------------6 3.2 介质过滤除菌的机理-----------------------------------------------------6 3.2.1 惯性冲击滞留作用-------------------------------------------------------6 3.2.2 拦截滞留作用-----------------------------------------------------------8 3.2.3 布朗扩散捕集作用-------------------------------------------------------9 3.2.4 重力沉降作用-----------------------------------------------------------93.2.5 静电吸附作用-----------------------------------------------------------94 压缩空气过滤除菌过滤介质和过滤器结构--------------------------------------10 4.1 过滤介质----------------------------------------------------------------10 4.1.1 过滤介质的条件--------------------------------------------------------10 4.1.2 棉花------------------------------------------------------------------10 4.1.3 玻璃纤维--------------------------------------------------------------10 4.1.4 颗粒活性炭------------------------------------------------------------11 4.1.5 超细玻璃纤维纸--------------------------------------------------------11 4.1.6 微孔烧结金属---------------------------------------------------------11 4.2 压缩空气过滤除菌设备---------------------------------------------------12 4.2.1 纤维状及颗粒状介质过滤器----------------------------------------------12 4.2.2 平板式纤维纸分过滤器--------------------------------------------------13 4.2.3 管式过滤器------------------------------------------------------------14 4.2.4 烧结金属过滤器--------------------------------------------------------144.3 空气过滤器的操作要点----------------------------------------------------155. 深层过滤效率和过滤器的计算----------------------------------------------15 5.1 过滤效率----------------------------------------------------------------15 5.2 对数穿透定律------------------------------------------------------------15 5.3 介质层厚度的计算--------------------------------------------------------16 5.4 过滤压力降--------------------------------------------------------------17 6．空气过滤除菌的流程-------------------------------------------------------186.1 空气净化的工艺要求------------------------------------------------------186.2 过滤除菌的一般流程------------------------------------------------------187 参考文献------------------------------------------------------------------20压缩空气灭菌设备——以发酵工业中压缩空气过滤灭菌为例摘要：现代工业的发展对实验、研究和生产的环境提出的要求越来越高,实现这一要求的主要途径是在洁净空气系统中广泛使用空气过滤器。
发酵3项目三：空气除菌技术【PPT课件】
过滤除菌机理
惯性冲击作用 拦截作用 布朗扩散作用 重力沉降作用
静电吸附作用
惯性冲击作用
过滤器中的滤层交错着无数的纤维，好像层层的网格。 带有微生物的空气通过滤层时，无论顺纤维方向流动或是垂 直于纤维方向流动，仅能从纤维的间隙通过。 由于纤维交错所阻挡，使空气要不断改变运动方向和速度才 能通过滤层。
单元技能一 过滤器及过滤除菌 常见的过滤器 微孔滤膜过滤器
蔡氏过滤器
玻璃过滤器
微孔滤膜过滤器过滤除菌
单元技能二 空气过滤除菌
两级冷却、分离、加热空气除菌流程
供给发酵用的无菌空气，需要克服介质阻力、发酵液静压力和管道阻力，故一 般使用空压机。 从大气中吸入的空气常带有灰尘、沙土、细菌等；在压缩过程中，又会污染润 滑油或管道中的铁锈等杂质，在空气进入发酵罐前，必须先行冷却。 而冷却出来的油、水，又必须及时排出，严防带入空气过滤器中，否则会使过 滤介质(如棉花等)受潮，失去除菌性能，空气在进入空气过滤器前，要先经除 尘、除油、除水，再经空气过滤器除菌，制备净化空气送入发酵罐，供菌体生 长与代谢的需要。
项目三 空气除菌
单元知识一 空气过滤除菌方法及除菌机理 无菌空气的概念 发酵工业应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中 含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制发酵污染至 极小机会，此种空气称为“无菌空气”。 一般按染菌机率为10-3来计算，即1000次发酵周期所用的 无菌空气只允许1~2次染菌。
用以沉降大的油滴和 水滴及稳定压力
用以分离50μm以上的液 滴及部分较小的液滴。 旋风分 离器
空气贮罐
丝网除沫器
静电吸附作用
干空气对非导体的物质作相对摩擦运动时，会产生静电现象，如 一些合成纤维。悬浮在空气中的微生物大多带有不同的电荷。 有人测定，约有75％的孢子具有l~60负电荷，15％的孢子带有 5~14正电荷，其余10％则为中性，这些带电荷的微粒会被带相反 电荷的介质所吸附。 此外，表面吸附也属这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是 表面吸附作用。
3.发酵用压缩空气的预处理及除菌设备
它只能适用于那些气候寒冷、相对湿度 很低的地区。
这种流程在使用蜗轮式空气压缩机或无 油润滑空压机的情况下效果是好的。 采用普通空气压缩机时，应加装丝网分 离器先将油雾除去。
2．两级冷却、分离、加热的空气除 菌流程
• 它可以适应各种气候条件，能充分地分 离空气中含有的水分，使空气在低的相对 湿度下进入过滤器，提高过滤除菌效率。 这种流程的特点是：2次冷却、2次分离、 适当加热。
pw pt x 100% 100% ps ps 0.622 x
p s1 p2 2 1 ps 2 p1
空气经过压缩其湿含量不变，温度大大提高，相对 湿度变小；当其冷却时，相对湿度会慢慢变大，直 到冷却到露点， =100%， ＞100%既有水析出。
无菌空气
• 发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘， 无杂质，无水，无油，正压等几项指标。 • 发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要 在发酵过程中不因无菌空气染菌而造成损 失即可。 • 一般要求1000次使用周期中只允许有一个 菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为 N=10－3 。
•
对不同的生物发酵生产和同一工厂 的不同生产区域（环节），应有不同 的空气无菌度的要求。 生物工业生产除对空气的无菌程度 有要求外，还根据具体情况而对空气 的温度、湿度和压力有一定的要求。
•
• 此流程尤其适用于潮湿的南方地区。
空气除菌流程
•两级冷却、分离、加热的空气除菌流程
旋 风 分 离 器
3．前置高效过滤除菌流程
1.高效过滤器
2.空压机 3.贮罐 4.冷却器 6.加热器 7.过滤器
5.丝网分离器
前置高效过滤除菌流程
• 高效前置过滤除菌流程的特点是无菌 程度高。
空气预处理与除菌系统的设计
学号:C H A N G Z H O U U N I V E R S I T Y课 程 设 计设计课程名称： 发酵工程课程设计 题 目： 220 m 3/min 空气预处理与除菌系统的设计 学 生 姓 名：学 院（系）： 制药与生命科学学院 专 业 班 级： 生工101 指 导 教 师： 王利群 专业技术职务： 副教授设计时间：2013 年 12 月 16 日 2013 年 12 月 27 日《发酵工程》课程设计任务书制药与生命科学学院生物工程专业101 班同学：现下达给你们毕业设计任务如下，要求你们在预定时间内完成此项任务。
一、设计题目：220 m3/min空气预处理与除菌系统的设计二、设计主要内容：1、针对产品的要求进行工艺流程的设计；2、工艺计算；3、设备的计算和选型；4、绘制带控制点工艺流程图（3号图纸）。
三、生产条件（包括年操作日、生产方式及其它限制性条件）发酵车间有100m3发酵罐3个，10m3种子罐3个，1 m3种子罐3个，装料系数都为75%，发酵工艺规定发酵罐通气量为0.7VVM（标准状态），种子罐通气量为1.0VVM。
工厂所在位置空气的平均温度为17℃，平均相对湿度为76%。
年操作日300天，生产方式：连续生产。
生产裕度为20%。
水蒸气138℃，冷却水进出口温度根据实际情况确定。
四、设计中主要参考资料（包括参考书、资料、规范、标准等）1、国家医药管理局上海医药设计院编. 化工工艺设计手册（第二版）(M).北京：化学工业出版社，19962、沈自法，唐孝宣编.发酵工厂工艺设计(M).上海：华东理工大学出版社，20043、陈国豪主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，20074、梁世中主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，20025、陈敏恒等编..化工原理（M）.北京：化学工业出版社，2004目录1、概述 (5)1.1 L-丝氨酸产品描述 (5)1.2 L-丝氨酸国内外生产情况 (5)1.3 L-丝氨酸的用途 (6)1.3.1 在医药方面的应用 (6)1.3.2 在食品方面的应用 (6)1.3.3 在化妆品方面的应用 (6)1.4 设计依据及指导思想 (7)1.5 L-丝氨酸的发展前景 (7)2、原材料及产品的主要技术规格 (8)2.1 原材料 (8)2.2 产品的主要技术规格 (8)3、生产流程简述 (8)4、工艺计算 (8)4.1 空气用量 (8)4.2 压缩空气的温度 (8)4.3 空气冷却器的传热量 (9)4.4 空气加热器的传热量 (10)5、设备的计算和选型 (11)5.1 空气预处理系统计算与设计 (11)5.1.1 吸风塔 (11)5.1.2 前置过滤器 (12)5.1.3 空气压缩机 (12)5.1.4 压缩空气贮罐 (12)5.1.5 空气冷却器 (13)5.1.6 水滴分离设备 (13)5.1.6.2旋风分离器 (13)5.1.6.2丝网除沫器 (14)5.1.7 空气加热器 (14)5.2 空气除菌设备计算与设计 (15)5.2.1 空气总过滤器的计算及设计 (15)5.2.2 100m3发酵罐的空气分过滤系统设备的计算及设计 (15)5.2.3 10m3种子罐的空气分过滤系统设备的计算及设计 (16)5.2.4 1m3种子罐的空气分过滤系统设备的计算及设计 (16)6、总结 (17)7、致谢 (18)8、参考文献 (18)220m3/min空气预处理与除菌系统的设计说明书1、概述1.1 L-丝氨酸产品描述分子式：C3H7NO3；结构式：CH2OHCH(NH2)COOH；分子量：105.09；呈白色结晶体或结晶粉末，味微甜，易溶于水和甲酸，不溶于乙醇和乙醚。
生物制药工程设备【2】空气除菌及设备
(一) 介质层填充厚度(高度)
由对数穿透定律进行计算。
N0可根据进口空气的污染度(空气含菌浓度C0)、空气流量及 持续使用时间计算出。
例如，取C0=10000个/m3，空气流量为200m3/min，连续使用2000h，则 N0=10000 × 200 × 2000 × 60=2.4 × 1011个，Ns一般取10-3个，于是 N0/Ns=2.4 × 1014个。在设计空气总过滤器时，常取N0/Ns=1015作为设计 指标。K可通过试验数据或计算的方法求得。
空气除菌流程的要求
对于无菌度和输送距离等要求高的场合，就要采用较高压 力的空气压缩机来增压。由于空气压缩比大，空气的参数 变化也大，就需要增加一系列的附属设备。
根据工厂所在地的地理、气候环境和设备条件来制定具体 的空气除菌流程。
如在环境污染较为严重的地方，要考虑改变吸风的条件， 以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度；在温暖潮湿 的南方，要加强出水设备；空气被压缩后温度升高，需要 迅速降温以减小压缩机的负荷；空气冷却会析出大量的冷 凝水形成水雾，必须将其除去，否则带入过滤器将会严重 影响过滤效果。
二 空气中微生物的分布
空气中的含菌量随环境不同而有很大差异。
► 一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温 暖的南方则含菌量较多；
► 人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多； ► 地面又比高空的空气含菌量多。
各地空气中所悬浮的微生物种类及比例各不相同，数 量也随条件的变化而异，一般设计时以含量为103~104 个/m3进行计算。
将聚乙烯醇(PVA)与甲醛缩合，制成多孔的聚乙烯醇缩甲 醛树脂(PVF)，经过耐热处理制成孔径小于0.3μm的滤膜。
• 深层过滤介质：孔隙大于微生物（用得较多） 棉花、玻璃纤维、合成纤维、活性炭、超细纤维滤纸、 金属烧结板
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[例2-3]若将例2-2的压缩空气冷却到25℃（压强不变）， 求：①其湿含量？②每kg干空气能析出多少水？查得25℃ 时 ps =3167.68Pa = 3.1677kPa 。
解：①其湿含量为 2 ps 2 1 3.1677 x2 0.622 0.622 0.00661 kg / kg 水 / 干空气 p2 2 ps 2 301.3 3.1677 ②x1 0.622
（二）空气除菌流程
• 1．空气压缩冷却过滤流程
• 此除菌流程是一个设备较简单的空气除菌 流程，它由压缩机、贮罐、空气冷却器和 过滤器组成。
空气除菌流程
• 空气压缩冷却过滤流程
过滤空气
空气压缩冷却过滤流程
1-粗过滤器 2-空气压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-过滤器
空气压缩冷却过滤流程
•
• •
•
悬浮于空气中的微生物，其孢子大 多带有不同的电荷，没有带电荷的微 粒在进入高压静电场时都会被电离变 成带电微粒。 静电除菌装置按其对菌体微粒的作 用可分成电离区和捕集区。
•
静电除菌除尘装置示意图
静电除菌
• •
•
用静电除菌进行空气净化，要求极板很 平直，安装间距均匀。 使用该方法一次性投资费用较大。
O
k 1 k
湿空气的性质
•湿度
空气湿度x(湿含量)：湿空气中所含的水蒸气质量与所 含的干空气质量之比。
mw M w pw pw x 0.622 mg M g pt pw pt pw
•相对湿度
相对湿度：湿空气中水蒸气分压与同温下水的饱和蒸 气压之比。
pw pt x 100% 100% ps ps 0.622 x
解： p x 301.3 0.00661 0.563 ps 0.622 x 5.623 0.622 0.00661 其相对湿度为 56.3%
第三节 空气流程的要求
•
空气除菌流程是按发酵生产对无菌空 气的要求，并结合采气环境的空气条件 和所用除菌设备的特性，根据空气的性 质制定的。
•
• 此流程尤其适用于潮湿的南方地区。
空气除菌流程
•两级冷却、分离、加热的空气除菌流程
旋 风 分 离 器
3．前置高效过滤除菌流程
1.高效过滤器
2.空压机 3.贮罐 4.冷却器 6.加热器 7.过滤器
5.丝网分离器
前置高效过滤除菌流程
• 高效前置过滤除菌流程的特点是无菌 程度高。
• 高效前置过滤器采用泡沫塑料（静电 除菌）和超细纤维纸串联使用作过滤 介质。
（二）粗过滤器
• 作用：粗过滤器安装在空气压缩机前， 主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止其 进入压缩机而造成压缩机磨损，同时 也减轻总过滤器的负荷。
• 要求：粗过滤器的过滤效率要高，阻 力要小。 • 常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料 式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。
布袋过滤
•
• • • 布袋过滤结构最简单，只要将滤布缝制成与 骨架相同形状的布袋，紧套于焊在进气管的骨架 上，并缝紧所有会造成短路的空隙。 它的过滤效率和阻力损失要视所选用的滤布特 性和过滤面积而定。 布质结实细致，则过滤效率高，但阻力大。 最好采用毛质绒布效果较好，现多采用合成纤 维滤布。
pw pt x 100% 100% ps ps 0.622 x
p s1 p2 2 1 ps 2 p1
空气经过压缩其湿含量不变，温度大大提高，相对 湿度变小；当其冷却时，相对湿度会慢慢变大，直 到冷却到露点， =100%， ＞100%既有水析出。
•
3．空气含菌量的测定
• • 空气含菌量的测定一般采用培养法或 光学法测定其近似值。 以光学法为基础的仪器有粒子计数器， 它是利用微粒对光线散射作用来测量粒 子的大小和含量。 粒子的大小与讯号峰值有关。数量与 讯号脉冲频率有关。
•
二、空气净化除菌方法及原理
（一）空气除菌方法
• • 常用的除菌方法有介质过滤、辐射、 化学药品、加热、静电吸附等。 辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌 等都是将有机体蛋白质变性而破坏其活 力，从而杀灭空气中的微生物。 介质过滤和静电吸附方法则是利用分 离方法将微生物粒子除去。
对于一些直径很小的微粒，它所带的电 荷很小，微粒不能被吸附而沉降，所以静 电除尘对很小的微粒效率较低。
4.过滤除菌法
•
过滤除菌是目前生物技术工业生产中使 用的最常用的空气除菌方法，它采用定期灭 菌的干燥介质来阻截流过的空气所含的微生 物，从而获得无菌空气 常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细 玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介 质、烧结金属过滤介质等。
生物工业生产对空气调节的要求
生物工业生产需要洁净的环境、适宜的空气温 度和空气压强。 洁净空间：指空气中微粒受控制的空间。
洁净度级数(英制)：每1ft3空气中，粒径大于等 于0.5μm的最大允许粒子数。 洁净度级数(国际制)：每1m3空气中，粒径大于 等于0.5μm的最大允许粒子数的常数对数值。
它只能适用于那些气候寒冷、相对湿度 很低的地区。
这种流程在使用蜗轮式空气压缩机或无 油润滑空压机的情况下效果是好的。 采用普通空气压缩机时，应加装丝网分 离器先将油雾除去。
2．两级冷却、分离、加热的空气除 菌流程
• 它可以适应各种气候条件，能充分地分 离空气中含有的水分，使空气在低的相对 湿度下进入过滤器，提高过滤除菌效率。 这种流程的特点是：2次冷却、2次分离、 适当加热。
无菌空气
• 发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘， 无杂质，无水，无油，正压等几项指标。 • 发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要 在发酵过程中不因无菌空气染菌而造成损 失即可。 • 一般要求1000次使用周期中只允许有一个 菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为 N=10－3 。
•
对不同的生物发酵生产和同一工厂 的不同生产区域（环节），应有不同 的空气无菌度的要求。 生物工业生产除对空气的无菌程度 有要求外，还根据具体情况而对空气 的温度、湿度和压力有一定的要求。
1 ps1 0.8 2.340 0.622 0.0117 kg / kg 水 / 干空气 p1 1 ps1 101.3 0.8 2.340
每kg干空气能析出水=x1 x2 0.0051kg
[例2-4] 若将例2-3的压缩空气加热到35℃（压强不 变），问其相对湿度为多少？查得35℃时 ps =5623.44Pa = 5.623kPa
压缩空气除水原理
• 压缩后，高温下空气中水不会析出。 压缩空气由高温经冷却相对湿度增加。 • 相对湿度为100%时，对应空气温度为露点 温度。
• 压缩空气的露点温度比吸气状态空气的露点温度 高，压缩比越大，露点温度也越高，更易析出水。
温度升高相对湿度降低。
• [例2-2]空压机吸入空气温度20℃， 1=80%，当压缩到 0.2MPa（表压）时，温度为120 ℃，问：⑴此时压缩空气 的相对湿度 2 ？⑵将上述压缩空气冷却到有水析出时，至 少冷却到的露点温度？ • ⑴ ps1 p2 2340 301.3 2 1 0.8 2.8% 198653 101.3 ps 2 p1
•
空气中微生物数目的数量级可以认 为是103～104个/m3。
通过对空气中微生物分布情况的研究， 选择良好的取风位置和提高空气除菌系统 的除菌效率，是确保发酵工业正常生产的 重要条件。
•
2．生物工业生产对空气质量的要求
（1）压缩空气的压强 空气压缩机出口的空气压强0.2～0.35MPa （2）空气流量 （3）空气的温度 进发酵罐压缩空气的温度比发酵温度高出10℃ （4）相对湿度 进入总过滤器的压缩空气的相对湿度控制在60 ％～70％。 （5）洁净度
一、生物工业生产对空气质量的要求
1．空气中微生物的分布
• 空气中经常可检查到一些细菌及其芽孢、酵母、
真菌和病毒。
• 北方干燥寒冷的空气含菌量较少，而南方潮湿 温暖的空气含菌量较多；
• 人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；一 般城市空气中杂菌数为3000~8000个／米３
• 一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个 数量级。
• ⑵当空气冷却到露点即 100%, p p 1 p2 2 s2 s1 2 p1 2.8% 301.3 ps 2 198653 100% 301.3
5562.28 Pa
O
由ps 2查t2 34.5 C
• •
3.静电除菌
•
采用静电除尘法除去空气中的水雾、 油雾、尘埃和微生物等，消耗能量小， 空气压力损失小，设备也不大，但对 设备维护和安全技术措施要求较高。 常用于洁净工作台、洁净工作室所 需无菌空气的预处理，再配合高效过 滤器使用。
•
静电除尘
•
静电除尘是利用静电引力吸附带电 粒子而达到除菌除尘目的。
•
1．热杀菌
• • • 热杀菌是一种有效的、可靠的杀菌办法。 如果采用加热空气，以达到杀菌目的， 需要消耗大量的能源和增设许多换热设备。 利用空气被压缩时所产生的热量进行加 热保温杀菌在生产上有重要的意义。
空气加热杀菌流程
1.空压机
2.保温维持管
3.贮罐
2．辐射杀菌
• • X射线、β射线、紫外线、超声波、γ射线等 从理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。 应用较广泛的是紫外线，它的波长在 253.7～265nm时杀菌效力最强，它的杀菌力 与紫外线的强度成正比，与距离的平方成反比。 紫外线通常于无菌室和医院手术室等空气对 流不大的环境下消毒杀菌。 杀菌效率低，杀菌时间长，一般要结合甲醛 蒸气或苯酚喷雾等来保证无菌室的高度无菌。
3.发酵用压缩空气的 预处理及除菌设备